中美規范關于SCR鋼支架風荷載計算的比較

俞棟華 吳金池

(湖北省工業建筑集團有限公司，湖北 武漢 430064)

隨著我國國際貿易不斷發展，涉外SCR項目越來越多。在SCR鋼支架的設計中，風荷載是較為重要的外部荷載，往往影響結構的選型。而在涉外項目中，美國規范已被廣泛使用。因此，找出中美規范關于風荷載計算的差異非常必要。通過對中國規范GB 50009—2012[1]、美國規范ASCE 7-10[2]中關于SCR鋼支架風荷載計算進行對比，以某SCR項目為例，找出中美規范之間的差異，為涉外工程設計人員提供參考。

1 計算方法

1.1 中國規范風荷載計算

根據文獻[1]式8.1.1-1，SCR鋼支架風荷載標準值計算公式如下：

ωk=βzμsμzω0。

其中，ωk為風荷載標準值,kN/m2;βz為高度z處的風振系數;μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數;ω0為基本風壓,kN/m2，根據文獻[1]條文說明8.1.2計算如下：

其中，υ0為基本風速,m/s，定義為B類場地離地10 m高的10 min平均年最大風速，重現期是50年。

1.2 美國規范風荷載計算

根據文獻[2]式29.5-1，SCR鋼支架設計風壓計算公式如下：

q=qzGCf。

其中，q為設計風壓,N/m2;qz為高度z處的速度風壓,N/m2，根據文獻[2]式29.3-1計算如下：

qz=0.613KzKztKdv2。

其中，Kz為暴露系數;Kzt為地形系數;Kd為風向系數;v為基本風速,m/s，定義為C類場地離地10 m高的3 s陣風風速，重現期是300/700/1700年；G為陣風效應系數;Cf為體型系數。

2 主要參數

2.1 基本風速

中美規范基本風速的定義均與場地類別、高度、時距、重現期有關，將其制成統計表，見表1。

表1 中美規范基本風速確定方法

由表1可知，中美規范在重現期和時距的選取上有所差別。但不同重現期和時距的基本風速可以換算。

1)不同重現期基本風速換算。

根據文獻[2]式C26.5-2，不同重現期基本風速換算關系如下：

其中，T為重現期，年。

2)不同時距基本風速換算。

根據文獻[2]Figure C26.5-1，不同時距基本風速換算關系如下：

其中，V3,V600,V3 600分別為3 s,10 min,1 h基本風速,m/s。

2.2 地形與高度

1)地面粗糙度。

中美規范地面粗糙度類別對應關系見表2。

表2 地面粗糙度對應關系

2)風壓高度變化系數。

中美規范風壓高度變化系數均與冪指數α、梯度高度zg、截斷高度zmin有關，將其制成統計表，見表3。

表3 中美規范風壓高度變化系數的相關參數

a.中國規范。

根據文獻[1]條文說明8.2.1，整理出風壓高度變化系數計算公式如下：

b.美國規范。

根據文獻[2]Table 29.3-1，速度壓力暴露系數計算公式如下：

2.3 體型系數

1)中國規范。根據文獻[1]表8.3.1第32項次，取1.3。

2)美國規范。根據文獻[2]Figure 29.5-2，取1.6～2.0。

2.4 風振效應

1)中國規范。根據文獻[1]式8.4.3，高度z處的風振系數計算公式如下：

其中，g為峰值因子，取2.5;I10為10 m高度名義湍流強度，對A，B，C，D類地面粗糙度分別取0.12，0.14，0.23，0.39；R為脈動風荷載共振分量因子，根據文獻[1]式8.4.4-1計算如下：

f1為結構第1階自振頻率,Hz;kw為地面粗糙度修正系數，對A,B,C,D類地面粗糙度分別取1.28，1.0，0.54，0.26；ζ1為結構阻尼比，取0.01;Bz為脈動風荷載背景分量因子，根據文獻[1]式8.4.5計算如下：

φ1(z)為結構第1階振型系數;H為結構總高度,m，對A，B，C，D類地面粗糙度分別取300 m，350 m，450 m，550 m；k,a1均為系數;ρx為脈動風荷載水平方向相關系數，根據文獻[1]式8.4.6-2計算如下：

ρz為脈動風荷載豎直方向相關系數，根據文獻[1]式8.4.6-1計算如下：

B為結構迎風面寬度。

2)美國規范。根據文獻[2]式26.9-6，剛性結構陣風效應系數可取0.85或按下式計算：

其中，Iz為高度z處的渦流強度，根據文獻[2]式26.9-7計算如下：

gQ,gv均為峰值系數，均取3.4;c根據文獻[2]Table 26.9-1確定；Q為遮蔽效應，根據文獻[2]式26.9-8計算如下：

B為結構迎風面寬度；h為結構高度;Lz為渦流積分長度比例，根據文獻[2]式26.9-9計算如下：

l,分別根據文獻[2]Table 26.9-1確定。

3 工程實例

3.1 工程概況

某SCR支架，長×寬×高=38 m×13.65 m×25 m，由矩形管框架柱、H型鋼框架梁及H型鋼斜撐組成的無側移鋼結構。柱網布置圖見圖1，計算模型見圖2。

風荷載基本參數如下：1)中國規范。基本風壓為0.6 kN/m2(對應風速為31 m/s)，地面粗糙度為B類。2)美國規范。基本風速為44 m/s，地面粗糙度為C類。

3.2 計算結果

1)設計風壓。按中美規范計算設計風壓結果分別見表4，表5。

表4 中國規范計算設計風壓結果

表5 美國規范計算設計風壓結果

根據表4,表5數據，制成設計風壓折線圖，如圖3所示。

2)水平反力。按中美規范計算水平反力結果見表6。

表6 中美規范計算水平反力結果

3)柱頂位移。按中美規范計算柱頂位移結果見表7。

表7 中美規范計算柱頂位移結果

4 結語

1)中美規范關于SCR鋼支架風荷載計算均與基本風速、體型系數、風壓高度變化系數、陣風效應系數等因素有關，但中美規范關于以上因素取值不同。2)中美規范關于某SCR鋼支架設計風壓均隨高度增加而增大，但中國規范隨增加幅度更大。3)美國規范關于某SCR鋼支架水平反力約為中國規范的1.144倍～1.189倍。4)美國規范關于某SCR鋼支架柱頂位移約為中國規范的1.053倍～1.062倍。